航空发动机薄壁机匣激光焊接有限元数值模拟

摘 要：随着经济的不断发展，科技的不断进步，激光焊接在各行各业中都有着广泛的应用。在航空发动机中最为重要的部件是薄壁机匣，要想有效的对航空发动机薄壁几下激光焊接有限元数值进行分析和模拟，就必须要利用SYSWELD这一软件来进行有效的分析激光焊接的功能，针对激光焊接有限元数值模拟，对有限元模拟进行一定的建立，还要模拟航空发动机薄壁机匣在激光焊接时的应力场、温度场以及各种变化情况，还要根据从热源问题中进行有效的分析和研究，能够通过激光焊接工艺来解决问题。

关键词：航空发动机；薄壁机匣；激光焊接；有限元数值

在航空发动机燃烧室中，需要进行激光焊接有限元数值模拟能够有效的保证航空发动机的性能。燃烧室内薄壁机匣是航天发动机最重要的构件之一，燃烧室薄壁机匣在激光焊接过程中更容易变形，进一步影响了燃烧室的性能，为了能够满足航天发动机燃烧室性能的需要，就必须要对航天发动机薄壁机匣进行激光焊接有限元数值的模拟，能够从模拟中找到合适的方案，进而能够有效的提高燃烧室的性能，本文就对航空发动机薄壁机匣激光焊接有限元数值模拟进行简单的分析和阐述。

1.建立有限元模型

随着社会经济的不断进步，科技的不断发展，动力装置在燃烧室内的运行提出了更高的要求，要想有效的满足燃烧室内的性能，就必须做出一定的有限元数值模拟，其中最重要的就是要建立有限元模型，对模拟起到了一定的基础性的作用。

1.1对燃烧室模型的分析

（1）随着科技的进步，航空发动机对燃烧室的要求越来越高，必须使得燃烧室能够有效的满足航空发动机，才能充分体现出航空发动机的性能。航空发动机燃烧室一般都是短环直流的燃烧室，燃烧室是燃料在进行燃烧中生成高温燃气的一种装置，这种燃烧装置中的扩压器出口与火焰筒二者的轴线不重叠，这二者之间有着一定的角度，当火焰筒的位置离燃烧室内壁越近，内环通道小于外环通道的面积。

（2）在航空发动机燃烧室外壁机匣中，它是一个对称的回旋体，针对它的整体结构来说是非常对称的，通过这种对称，也可以得出航空发动机薄壁机匣的模型也必须是对称的，才能有效的满足模拟的真实性，进而能够通过模拟来满足航空发动机的性能；在进行对航空发动机燃烧室机匣边上焊接时，由于螺孔较小，在焊接过程中不会产生任何影响，因此，为了能够有效的精确数值，可以对螺孔的焊接忽略不计。

1.2对有限元网格的划分

（1）随着电子计算机不断的发展，有限元也有着一定的发展，逐渐的演变为现代计算方法，有限元通过变分方法，能够使得误差达到最小值并且还能产生稳定解。建立完燃烧室的模型，就要对有限元的网格进行一定的划分。在激光焊接中，它的密度交稿，加热的区域较小，在进行划分过程中，必须要求在激光焊接附近使用小的有限元网格，在离激光焊接位置较远的使用大的有限元网格。

（2）通过按照以上有限元网格划分的原则，在SYSWLED中对燃烧室薄壁机匣进行网格的划分，划分出来的网格必须要与受力点进行相对用，在划分网格之后，根据结构的实际特点，为了能够使得数值更加精确，就必须要进行有效的调整，燃烧室模拟中的温度场和应力场是非常中的，要保证温度场和应力场都使用相同的有限元网格。

（3）在模拟中为了能够使得激光焊接精度高、质量好，因此在进行激光焊接过程中要进行低速的激光焊接，使用低速激光焊接，能够使得焊缝中的气体有效的排出，避免出现裂纹的现象；还要采用圆锥形热源模型，能够使得更加的准确对航空发动机燃烧室薄壁机匣激光焊接的模拟。

2.建立激光焊接热源的模型

根据有限元的分析中，建立良好的激光焊接热源模型，能够使计算出来的结果更加准确，激光焊接精度高且质量好。建立热源的模型其中最重要的两部分就是温度场和应力场，这二者对计算结果也起到了至关重要的作用。在模型建立中，热源模型也有着一定的发展，从而通过发展能够得到较为准备的温度场和应力场。在进行激光焊接过程中，它会有着一定的物理现象：熔化、凝固等，在进行激光焊接中，单位质量的物质在等温的情况下，从一个相变化到两外一个相吸收热量的功能，这是固体、气体、液体之间的相互转换。通过利用热源模型对航空发动机薄壁机匣进行有限元的计算中，焊缝中心的应力要比焊接头应力的数值要小。

3.对激光焊接有限元数值的计算

3.1对温度场进行分析

在进行航空发动机薄壁机匣激光焊接中，距离焊缝中心越近的位置温度就越高，距离焊缝中心越远的位置温度就越低，所以在激光焊接过程中焊缝周围有着一定的温度梯度，随着时间的增加，机匣整个温度都会趋于均匀。

3.2对应力场进行分析

在进行航空发动机薄壁机匣激光焊机过程中，通过利用SYSWELD软件使用简洁耦合分析法进行分析，在激光焊接过程中，随着焊接位置距离的增大应力的分布没有太大的变化，基本保持一致；在当激光焊接结束时，机匣焊缝内表面的应力就会增加，距离较近的应力值较大，距离较远的应力值较小。

4.激光焊接的发展

激光是继原子能、计算机、半导体之后，又一个重大的发明。激光焊接在现如今有着非常广泛的应用，也有着非常好的优点：激光焊接要求的密度较高，质量较好，在焊缝处中变形小，有着一定的美观，还可以通过焊丝能够有效的改善焊缝的性能，激光焊接在工业中有着广泛的应用，不仅能够促进了焊接自动化的发展，而且还能带动工业经济的发展。

5.结语

综上所述，对航空发动机薄壁机匣激光焊接有限元数值模拟，能够通过激光焊接能够有效的满足燃烧室的性能。随着经济的不断发展，科技的不断进步，激光焊接在各行各业中都有着非常广泛的应用，比如在：航空航天、汽车、机械、海洋工程等多方面。激光焊接技术是现代制造工程中最先进的方法之一，通过各行各业的广泛应用，能够有效的促进激光焊接的自动化，并且在航空航天中，能够有效的满足发动机燃烧的动力装置。

参考文献：

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作者简介：范凯（1988.11-），男，大学本科，安徽太和，助理工程师，发动机材料。

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